壓力傳感器中的比例電壓輸出信號

Nobert Rauch 施林生（譯）

1. analog microelectronics GmbH公司，德國美茵茨 55124；2. 上海蕓生微電子有限公司，上海 201108

一、壓力傳感器AMS 5812

AMS 5812[1]是OEM壓力傳感器（見圖1），可以測量絕對壓力、相對壓力、差分壓力和雙向差分壓力（正壓和負(fù)壓）。每個(gè)傳感器在生產(chǎn)過程中都分別校準(zhǔn)到指定的標(biāo)稱值。由溫度變化引起的與理想曲線的偏差已經(jīng)分別進(jìn)行了補(bǔ)償和校正。補(bǔ)償溫度范圍為-25℃～ 85℃。一個(gè)誤差小、長期穩(wěn)定性好的傳感器通常都是由高質(zhì)量的硅壓阻芯體、現(xiàn)代的數(shù)字信號處理電路以及優(yōu)化算法結(jié)合的結(jié)果。

AMS 5812采用5V供電，具有兩個(gè)獨(dú)立的輸出，一個(gè)模擬比例電壓輸出0.5V～4.5V（雙向差分壓力輸出為2.5V±2V[2]）和一個(gè)I2C 的數(shù)字輸出[3]。它們可提供0～0.075psi直到100psi的壓力范圍內(nèi)的不同型號，也可以根據(jù)客戶要求提供其他標(biāo)準(zhǔn)。采用電路板安裝形式的雙列直插焊接端子的陶瓷基板和陶瓷外殼使壓力傳感器具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性。

二、壓力傳感器AMS 5812的工作原理

AMS 5812上的壓力檢測是通過硅壓阻測量元件（硅壓力芯體）實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)通過微機(jī)械MEMS加工的硅壓阻測量芯體上所測量的壓力被轉(zhuǎn)換為模擬信號，該信號幾乎與施加的壓力成正比。然后該電壓信號被CMOS ASIC放大（CMOS ASIC專用集成電路） （見圖2），并通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在AMS 5812系列中使用的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的分辨率為16位。

通過微處理器模塊對數(shù)字化信號進(jìn)行校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償和線性化，最后得到了標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號，用于修正與理想曲線的偏差，在不同壓力和溫度下測量出的各個(gè)傳感器的溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)系數(shù)都存儲在只讀存儲器EEPROM中。溫度的測量是通過與被測介質(zhì)直接接觸的壓力芯體上的電路直接完成的，從而確保所測量的溫度準(zhǔn)確和可靠。處理信號的微處理器CPU會根據(jù)相應(yīng)的壓力和溫度值，通過校正系數(shù)的修正和補(bǔ)償不斷循環(huán)輸出正確的壓力信號以及溫度信號。修正和補(bǔ)償?shù)膲毫π盘柾ǔ悦?.5ms的周期寫入輸出寄存器中并連續(xù)不斷地更新。此時(shí)的壓力和溫度值都具有I2C 的數(shù)字信號輸出，同時(shí)壓力數(shù)字信號又由后續(xù)的DAC（11位）轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。11位的DAC對于轉(zhuǎn)換模擬電壓來說精度是足夠的。

三、模擬比例電壓信號的壓力芯體

在AMS 5812系列的傳感器中使用的壓阻式壓力傳感器芯體的輸出電壓，適用于下面的公式（一級近似）：

其中，S —壓力芯體的靈敏度；

P —壓力；

VCC—供電電壓。從公式中可以看出，硅壓阻壓力芯體的輸出信號VMz與電源電壓VCC和作用壓力P成正比，即VMz= f(P, VCC)，這意味著傳感器壓力芯體輸出的信號與電源電壓的變化同步變化：一種被稱為“比例”（或者叫比率）的效應(yīng)。例如，如果電源電壓VCC變化±5%成為VCC1，則壓力芯體的輸出信號VMz會以相同的比率變化成為VMz1，由此得到比例電壓信號的條件是：

四、非比例電壓信號輸出的數(shù)字輸出信號

當(dāng)今大多數(shù)傳感器都使用微處理器對經(jīng)過模擬放大電路放大過的傳感器信號進(jìn)行數(shù)字化處理。因此，不可避免地需要在信號放大和微處理器之間安裝一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC通常具有三個(gè)用于模擬電壓輸入的端口，它們是：與壓力成正比的壓力芯體輸出的電壓信號VMz(P)、高電平參考電壓VRef+、低電平參考電壓VRef-。

待轉(zhuǎn)換的ADC的輸入電壓信號對應(yīng)的是壓力芯體的輸出電壓VMz。高電平參考電壓是微處理器的工作電壓VCC或者是外加的參考電壓，它限制了最大可測量的輸入電壓，出于成本原因，通常就直接采用工作電壓VCC。低電平的參考電壓VRef-可以是微處理器的接地端（Vground）或采用外部的參考電壓，它代表了ADC的零點(diǎn)。ADC以VRef+為參考電壓將壓力芯體放大的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在相同的模擬電壓輸入值和相同的分辨率的情況下，參考電壓減小，則ADC輸出處的數(shù)字值增加，反之亦然。

如果僅僅考慮傳感器壓力芯體和ADC轉(zhuǎn)換器，那么ADC后面的數(shù)字信號值只是取決于壓力、分辨率以及壓力芯體的信號與參考電壓的比值。

如果壓力芯體的電源電壓VS和ADC的參考電壓VRef+同步變化（比如VRef+=VCC），則壓力芯體的輸出電壓VMz與參考電壓的比值在相同壓力下保持恒定，而且數(shù)字輸出信號與電源電壓VCC的變化也無關(guān)（公式1和3），因此，數(shù)字信號不是成比例的，它不會隨電源電壓的變化而變化，僅與壓力P成正比。

五、模擬比例電壓輸出信號

在AMS 5812傳感器中有一路模擬電壓輸出，這是使用DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（圖3）。

DAC將相對于參考電壓VRef+作為基準(zhǔn)電壓的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。在相同的數(shù)字信號輸入和相同的分辨率的情況下，模擬電壓輸出會隨著DAC基準(zhǔn)電壓VRef+,DAC減小而減小，隨著基準(zhǔn)電壓VRef+,DAC增加而增加。ADC和DAC的基準(zhǔn)電壓VRef+,ADC和VRef+,DAC都是直接連在AMS 5812的電源電壓VCC上的，因此壓力芯體的信號輸出時(shí)，比例電壓信號經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)榉潜壤敵龅臄?shù)字信號，然后再通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬的比例電壓輸出信號。因此，AMS 5812的模擬輸出電壓最終是與電源電壓成比例變化的。相反，由ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換并由微控制器處理的數(shù)字信號與電源電壓則不是成比例變化的。

在VCC=5V情況下，由比例電壓信號的條件（公式2）得出比例電壓信號為：

比如傳感器AMS 5812在電源電壓VCC= 5V和壓力P0為零時(shí)，應(yīng)該輸出Vout= 0.5V，對于電源電壓的變化VCC1= 5V ±5%時(shí)，輸出電壓為：

這個(gè)輸出電壓值是在電源電壓為VCC1時(shí)的正確的比例電壓輸出信號，這意味著輸出信號的穩(wěn)定性直接取決于供電電壓的穩(wěn)定性。

六、比例電壓信號的誤差

通常在輸出比例電壓信號的傳感器的電氣參數(shù)表中會列出比例信號的誤差。這個(gè)誤差就是輸出信號的實(shí)際測量值與公式（4）的計(jì)算值的偏差：

這個(gè)比例誤差不要與在VCC時(shí)的輸出信號和在VCC1時(shí)的輸出信號之間的偏差相混淆。

七、非比例電壓信號輸出的壓力傳感器

比例電壓信號的測量是來自于汽車行業(yè)對傳感器器件的測量要求。如果5V電路板上的電源電壓發(fā)生變化，則希望從傳感器的相應(yīng)輸出值中就可以知道這一情況。

由于車輛中的許多比例電壓傳感器都由中央電源統(tǒng)一供電，因此電壓波動的影響都可以通過統(tǒng)一的校正，從而實(shí)現(xiàn)信號同步測量；另外一個(gè)原因是節(jié)省了每個(gè)傳感器都要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考電壓器件，這在具有大量傳感器的現(xiàn)代車輛中非常重要。

在汽車行業(yè)以及在傳感器AMS 5812中，采用5V供電的傳感器的典型輸出信號為0.5V～4.5V比例電壓輸出信號。比例電壓測量是指輸出的電壓信號在電源電壓為5V±5%的變化范圍內(nèi)可以相應(yīng)變化。

0.5 V～4.5V輸出信號的優(yōu)點(diǎn)就是這個(gè)電壓范圍大小。如果輸出信號是＜0.3V或＞ 4.7V，那么可以知道傳感器存在故障，而這個(gè)電壓可以通過電路檢測出來（0.3V和4.7V的電位是通過電源電壓允許波動的范圍（±5%）計(jì)算得出的）。

允許電源電壓范圍較大的傳感器（例如VCC=10-30V）或在電源電壓＞6V工作的傳感器一定是有一個(gè)穩(wěn)定的3V或5V以提供內(nèi)部信號處理電路的電壓。由于不再存在電源電壓波動的風(fēng)險(xiǎn)，也就不需要考慮比例電壓的問題。

例如，圖4中的差分壓力變送器AMS 4711[4]使用8V～36V的電源電壓工作，這是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力變送器。該傳感器內(nèi)部集成有一個(gè)5.50V的恒壓源，可以為壓力芯體和集成電路ASIC供電。因此，它可以產(chǎn)生5V的非比例模擬電壓輸出。

八、總結(jié)

通過一個(gè)具有模擬比例電壓輸出和數(shù)字輸出的OEM傳感器——AMS 5812的例子，詳細(xì)介紹了有關(guān)比例電壓信號的原理和應(yīng)用，同時(shí)也解釋了為什么在這個(gè)傳感器中模擬輸出信號是比例電壓信號，而數(shù)字信號不是比例電壓信號。此外，文章還給出了比例電壓信號的誤差計(jì)算公式，這個(gè)誤差常常會在各種誤差考慮中被忽略。

在現(xiàn)代自動化設(shè)備中傳感器越來越多，它們都是可以通過統(tǒng)一的中央電源供電，所有比例電壓輸出的傳感器可以在電源電壓波動的時(shí)候同步得到修正，每個(gè)傳感器也不再需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓器件。以壓力傳感器AMS 4711為例，介紹了一種非比例電壓信號輸出的模擬電壓信號輸出的壓力變送器。